Wir bauen eine Zitronenbatterie - Strom aus Obst? (WORD)

Strom aus Obst? – Wir bauen eine Zitronenbatterie

Ein Beitrag von Marie Emmerich-Barten, Nieder-Olm

Mit Illustrationen von Julia Lenzmann, Stuttgart, und Wolfgang Zettlmeier, Barbing

O

b Autos, Fernbedienungen oder Smart- phones – heutzutage geht nichts mehr ohne Batterien und Akkus. Die erste Batterie (die sogenannte Voltasäule) wurde von Alessandro Volta (1745–1827) gebaut.

Alle heute gängigen Batterien, Akkumulatoren und auch Brennstoffzellen haben den gleichen prinzipiellen Aufbau.

Ausgehend von einem iktiven Fernsehinter- view über die Zitrone als neue Energiequelle werden Ihre Schüler motiviert, die in der Mel- dung dargestellten Fakten in zwei Versuchen genauer unter die Lupe zu nehmen. Ihre Er- kenntnisse halten sie dann in einem Leserbrief fest.

Das Wichtigste auf einen Blick

Klasse: 9/10

Dauer: 4–5 Stunden (Minimalplan: 2) Kompetenzen: Die Schüler …

Versuche:

• Wir bauen eine Zitronenbatterie (SV)

• Wir bauen eine leistungsstärkere Zitro-

Mit einem Quiz!

Nicht nur in der Küche universell einsetzbar – auch im Chemieunterricht ist die Zitrone sehr nützlich.

Foto: Thinkstock/iStock

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Was Sie zum Thema wissen müssen

Wie funktioniert eine Batterie?

Batterien sind elektrochemische Energieträger, die beim Entladen gespeicherte chemische Energie durch Redoxreaktionen in elektrische Energie umwandeln. Diese elektrische Energie kann dann unabhängig vom Stromnetz von einem Verbraucher genutzt werden.

In dieser Einheit werden nur Primärzellen beleuchtet, d. h. Batterien, die nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden können. Eine Primärzelle ist ein galvanisches Element.

Sie besteht aus zwei Elektroden aus unterschiedlichem Material (z. B. Kupfer und Zink), die in eine elektrisch leitfähige Lösung, den Elektrolyten (z. B. Zitronensaft), tauchen. Zwischen den beiden Elektroden besteht eine elektrisch leitfähige Verbindung. Die Funktion der Primärzelle beruht auf einer Redoxreaktion, bei der die Reduktion und die Oxidation räumlich getrennt voneinander an jeweils einer Elektrode ablaufen. Dadurch entsteht zwischen den beiden Elek- troden ein Elektronenluss, also elektrischer Strom mit einer bestimmten Spannung.

Welche chemischen Reaktionen laufen in einer Batterie ab?

Die Elektrode aus dem unedleren Metall, hier Zink, bildet die Anode. Hier geben die neutralen Metallatome Elektronen ab und werden zu positiv geladenen Ionen. Es indet eine Oxidation statt. Die Metallelektrode löst sich im Lauf der Elektrolyse auf.

Oxidation: Zn   Zn²⁺ + 2 e^–

Die Elektronen ließen im äußeren Stromkreis zur Elektrode aus dem edleren Metall, hier Kupfer. Das edlere Metall bildet die Kathode. Hier nehmen positiv geladene Ionen Elektronen aus dem Elektrolyten auf. Es indet eine Reduktion statt.

Im Fall der Zitronenbatterie bildet der Zitronensaft den Elektrolyten. Die darin enthaltene Zit- ronensäure liefert die für die Reduktion notwendigen positiv geladenen Ionen:

H₃O⁺

↔

^H2O + H⁺

Wurde die Kupferelektrode gereinigt, besteht ihre Oberläche nur aus elementarem Kupfer. Sie fungiert dann nur als Stromleiter, an dem die positiv geladenen Ionen aus dem Elektrolyten entladen werden. Die Metallelektrode bleibt im Laufe der Elektrolyse unverändert.

Reduktion: 2 H⁺ + 2 e^–   H₂ Redoxreaktion: Zn + 2 H⁺    Zn²⁺ + H₂

Wurde die Kupferelektrode (Kathode) nicht richtig gereinigt, beindet sich eventuell noch eine dünne Oxidschicht aus Cu²⁺-Ionen auf ihrer Oberläche. Diese werden dann zu Kupfer reduziert.

Reduktion: Cu²⁺ + 2 e^–   Cu Redoxreaktion:

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Zn + Cu²⁺   Zn²⁺ + Cu

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Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung

Voraussetzungen der Lerngruppe

Für das Funktionieren dieser Einheit sollten die folgenden Themen bereits im Unterricht be- handelt worden sein:

• die grundlegenden Begriffe rund um Metalle, Salze und deren Bildungsreaktionen

• die Fällungs- bzw. Spannungsreihe der Metalle

• der Aufbau eines galvanischen Elements und damit das Grundprinzip nach Volta

• Redoxreaktionen ohne Sauerstoff und der dabei ablaufende Elektronenübergang vom un- edleren zum edleren Stoff

Grundsätzlich sollten Ihre Schülerinnen und Schüler* auch folgende physikalischen Grundlagen des elektrischen Stromes beherrschen:

• Strom l ießt vom Plus- zum Minuspol.

• Die Spannungen einer Reihenschaltung addieren sich.

*Im weiteren Verlauf der Einheit wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.

Aufbau der Unterrichtseinheit

Der Einstieg in die Unterrichtseinheit erfolgt über ein i ktives Fernsehinterview auf Folie M 1, das als Impuls für die Problemstellung der Unterrichtseinheit dient. Anschließend bauen die Lernenden im Schülerversuch M 2 die im Interview thematisierte Zitronenbatterie in Grup- penarbeit nach und messen die erzielte elektrische Spannung. Vertiefend dazu schließt sich in Stunde 3 der Schülerversuch M 4 an, bei dem die Schüler durch Reihenschaltung eine leis- tungsstärkere Zitronenbatterie konstruieren.

In der vierten Stunde fassen die Schüler ihre Erkenntnisse aus den Versuchen dann in Form eines Leserbriefs als Reaktion auf das Fernsehinterview zusammen (Arbeitsblatt M 5). Als Hilfestellung dienen den Lernenden das Infoblatt M 6 sowie die Checkliste M 7.

Zum Abschluss der Einheit wiederholt Ihre Klasse das Gelernte spielerisch mithilfe von Quiz M 8.

Üben

Angebote zur Differenzierung

Bei der Auswertung von Schülerversuch M 2 können Sie die Schüler mit den Tippkarten M 3 unterstützen bzw. ihnen weiterführende Erklärungen an die Hand geben.

Beim Erstellen des Leserbriefs dient die Checkliste M 7 als Hilfestellung für Gruppen, die Probleme beim Verfassen des Leserbriefs haben. Sie können Kopien davon für hilfesuchende Schüler am Lehrerpult bereitlegen oder auf Folie kopieren und diese bei Bedarf aul egen.

Ideen für die weitere Arbeit

Im Anschluss an diese Unterrichtseinheit könnten die verschiedenen Typen von Batterien und Akkumulatoren thematisiert werden. Diese könnten sich die Schüler selbstständig und

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Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler

Die Schüler ..

• beschreiben den Aufbau einer Zitronenbatterie.

• erklären, warum in einer Zitronenbatterie elektrische Energie entsteht.

• erläutern, welche chemischen Reaktionen an den Elektroden der Zitronenbatterie ablaufen.

• führen selbstständig Versuche durch.

• schulen ihre Kommunikationsfähigkeit im Rahmen selbstständiger Arbeitsphasen in Gruppen.

Medientipps

Filme

Elektrochemie, DVD, ca. 37 min, 2013, FWU-Nr. 4611021

Der Film behandelt die elektrochemische Spannungsreihe sowie den Aufbau und die Arbeitsweise einer galvanischen Zelle. Mit Batterien, dem Bleiakku und der Reindarstel- lung von Metallen durch Elektrolyse werden Beispiele für die Elektrochemie in Technik und Alltag erläutert.

Meilensteine der Menschheit 1, DVD, ca. 75 min, 2011, FWU-Nr. 4667104

Im Filmabschnitt „Die Batterie“ (ca. 15 Minuten) wird die Erindung der Batterie durch Alessandro Volta beschrieben.

Zitronensaft auf Rädern, DVD, ca. 10 min, 2011, FWU-Nr. 4684476

Im Film wird getestet, ob ein Rennwagen mit 1400 Zitronen zum Laufen gebracht wer- den kann. Auch werden die Vorgänge in einer Zitronenbatterie beschrieben.

Literatur

Kuballa, Manfred u. a.: Chemie im Kontext – Strom durch Chemie. Themenheft 7. Cornelsen.

Berlin 2014.

Das Buch behandelt wichtige Themen der Elektrochemie, z. B. den Aufbau und die Funktionsweise der verschiedenen Batterien und Akkumulatoren.

Internetadressen

http://physikshow.uni-bonn.de/versuche/zitronenbatterie.pdf

Im Skript der Uni Bonn erhält man einen ersten Überblick über den Versuch „Zitronen- batterie“.

www.seilnacht.com/Lexikon/e_batt.html

Auf dieser Website können Sie sich einen Gesamtüberblick über Batterien und Akku- mulatoren verschaffen.

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Die Einheit im Überblick

 V = Vorbereitung FO = Folie AB = Arbeitsblatt

 D = Durchführung SV = Schülerversuch LEK = Lernerfolgskontrolle = Zusatzmaterial auf CD TK = Tippkarte

Minimalplan

Bei wenig Zeit führen Sie mit Ihren Schülern nur den ersten Schülerversuch M 2 durch und setzen gegebenenfalls den 2. Schülerversuch M 4 als weitere Anforderung für leistungsfähige- re Schüler ein. Das Verfassen des Leserbriefs M 5 und das Quiz M 8 können als Hausaufgabe aufgegeben werden.

Stunden 1–2: Wir bauen eine Zitronenbatterie

M 1 (FO) Strom aus Zitronen? – Wir berichten live aus Spanien M 2 (SV)

 V: 10 min

 D: 15 min Exemplar(e) pro Gruppe

Wir bauen eine Zitronenbatterie       1 Zitrone

      1 Streifen Kupferblech       1 Streifen Zinkblech

      2 Kabel mit Krokodilklemmen       1 Messer

      1 Spannungsmessgerät

M 3 (TK) Tippkarten zum Versuch M 2

Stunde 3: Wir erhöhen die Spannung unserer Zitronenbatterie M 4 (SV)

 V: 10 min

 D: 20 min Exemplar(e) pro Gruppe

Wir bauen eine leistungsstärkere Zitronenbatterie       4 Zitronen

      4 Streifen Kupferblech       4 Streifen Zinkblech

      5 Kabel mit Krokodilklemmen       1 Messer

      1 Digitaluhr oder 1 Diode

Stunden 4–5: Wir verfassen einen Leserbrief M 5 (AB) Wir schreiben einen Leserbrief M 6 (AB) Infoblatt zur Zitronenbatterie

M 7 (AB) Checkliste zum Verfassen eines Leserbriefs M 8 (LEK) Strom aus Obst? – Ein Quiz zur Zitronenbatterie

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M 1 Strom aus Zitronen? – Wir berichten live aus Spanien

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M 4 Wir bauen eine leistungsstärkere Zitronenbatterie

Im vorherigen Versuch habt ihr bereits die Spannung gemessen, die von einer Zitronenbatterie erzeugt wird. Sie war nicht besonders hoch. Wie könnte man die Spannung erhöhen? Plant dazu einen Versuch.

Schülerversuch in Zweier- oder Dreiergruppen  Vorbereitung: 10 min

 Durchführung: 20 min

Aufgabe 1

Wie könnte man die Spannung der Zitronenbatterie aus dem vorherigen Versuch erhöhen?

Plant im Team einen Versuch, indem ihr einen Versuchsplan erstellt. Achtet dabei auf eine sinnvolle Reihenfolge.

So geht ihr vor

1. Fertigt eine mögliche Versuchsskizze an.

2. Besprecht anhand dieser Skizze mit eurem Lehrer euren Versuchsplan und lasst euch die benötigten Geräte und Materialien geben.

Diese Materialien benötigen wir

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M 7 Checkliste zum Verfassen eines Leserbriefs

Nutzt diese Checkliste und gelangt somit Schritt für Schritt zu eurem Leserbrief.

Erledigt?

Anrede

Falls ein Autor angegeben ist, sprecht ihn direkt an. Richtet den Brief ansonsten allgemein an die Redaktion.

Bezugnahme

Auf welchen Beitrag bezieht ihr euch und welchen Teil davon möchtet ihr kom- mentieren?

Eigener Standpunkt

Verdeutlicht den eigenen Standpunkt und verweist darauf, welche Rolle ihr selbst einnehmt (Schüler, Experte, Betroffener).

Argumente

Stützt nun euren Standpunkt mit Argumenten und beschreibt Beispiele zur Ver- deutlichung aus eurer Erfahrung (hier: Schülerversuche).

Eigene Erfahrungen

Was habt ihr im Chemieunterricht herausgefunden? Wie sahen eure Versuche aus?

Recherche

Könnt ihr noch Informationen aus dem Infoblatt zur Zitronenbatterie ergänzen, z. B.: Wie hoch sind die Kosten der Zitronenbatterie im Vergleich zu herkömm- lichen Batterien oder dem Strom aus der Steckdose?

Ergebnisse

Wie groß war eure elektrische Spannung? Könnte man damit z. B ein Smartphone aufl aden?

Fazit

Ist die Zitronenbatterie eine echte Alternative zu herkömmlichen Stromquellen?

Bild: www.colourbox.de

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